[发明专利]一种压电陶瓷材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及电子材料这一技术领域，特别涉及到一种压电陶瓷材料的制备方法及其应用。

背景技术

能源与环境是21世纪人类所关注的两大主题。由于不可再生资源的逐年消耗，能源问题被各国政府、学术界乃至广大公众所共同关注，开发新能源已经 成为当今世界的一项重要研究课题。如何将环境中废弃的能量收集并转换为可再利用的电能作为新能源发展的主要方向之一备受关注。压电材料具有通过从外部施加电场发生应变效果(电能向机械能转换)和通过从外部受到应力在表面产生电荷的效果(机械能向电能转换)的材料，可用于各类信息的检测及存储等，已被广泛应用于军事、汽车、商业和医疗等技术领域。其中，压电能量收集器件基于压电材料的正压电效应，将环境中产生的机械能转换为电能，具有机电转化效率高、输出电压高、不受电磁干扰、无需外加偏置等特点，因而具有广阔的应用前景。

目前，应用于压电能量收集器件的材料主要以压电单晶为主，但其制造工 艺烦琐、成本高、无法大规模应用。压电陶瓷材料具有制造工艺简单、成本低、 可大规模生产等优点，但是，其电学和力学性能往往较低无法满足能量收集器件的应用要求。为了满足压电能量收集器件的要求，压电陶瓷必须具有高的能量密度和高的力学性能。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种压电陶瓷材料的制备方法，该方法采用将氮化硅、氧化铝、六水硝酸镧混合后进行球磨处理，将球磨混合物置于乙二醇中，加入硬脂酸酰胺、钛酸四丁酯、四甲基乙二胺，搅拌加热得到热反应混合液，再将热反应混合液陈化处理、调节pH后干燥得陶瓷浆料，最后将陶瓷浆料在模具中固化、脱模，得到坯料，再将坯料烧结得压电陶瓷材料。制备而成的压电陶瓷材料，其能量密度高、力学性能好，在压电能量收集器件中具有较好的应用前景。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种压电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将氮化硅50-60份、氧化铝25-35份、六水硝酸镧10-20份混合，放入球磨机中球磨处理，得到球磨混合物；

（2）将球磨混合物置于乙二醇中，再加入硬脂酸酰胺12-18份、钛酸四丁酯8-12份、四甲基乙二胺3-5份，边搅拌边加热至150℃，保持30 min，得热反应混合液；

（3）将热反应混合液在室温下陈化12 h，用3 mol/L的氢氧化钠溶液调节pH至8.0，随后置于80℃下干燥8 h，得陶瓷浆料；

（4）将陶瓷浆料加入到模具中进行固化，随后脱模，得到坯料，随后将坯料送入烧结炉，在1300-1500℃进行烧结，保温2 h，随炉冷却至室温后得到压电陶瓷材料。

优选地，所述步骤（1）中球磨处理是在转速220-250 r/min下球磨3 h。

优选地，所述步骤（4）固化是在250℃、15MPa条件下进行60-80 min。

优选地，所述步骤（4）中，先将坯料预烧后再进行烧结，预烧温度为950℃，预烧时间为1.5 h。

进一步的，本发明还公开了所述的压电陶瓷材料在在压电能量收集器件中的应用。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

（1）本发明的压电陶瓷材料的制备方法采用将氮化硅、氧化铝、六水硝酸镧混合后进行球磨处理，将球磨混合物置于乙二醇中，加入硬脂酸酰胺、钛酸四丁酯、四甲基乙二胺，搅拌加热得到热反应混合液，再将热反应混合液陈化处理、调节pH后干燥得陶瓷浆料，最后将陶瓷浆料在模具中固化、脱模，得到坯料，再将坯料烧结得压电陶瓷材料。制备而成的压电陶瓷材料，其能量密度高、力学性能好，在压电能量收集器件中具有较好的应用前景。

（2）本发明采用了氮化硅、氧化铝、六水硝酸镧、硬脂酸酰胺、钛酸四丁酯、四甲基乙二胺这几种原料复配制备压电陶瓷材料，虽然这些材料并非首次应用于陶瓷材料中，但按照一定配比量组合使用后，辅以相应的处理方式，给最后制备得到的陶瓷材料带来了使用性能上的大幅度提高，这在以往的研究中是不曾报道过的，对于实现本发明的技术效果起到了决定性的作用。

具体实施方式

下面结合具体实施例对发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

（1）将氮化硅50份、氧化铝25份、六水硝酸镧10份混合，放入球磨机中在转速220 r/min下球磨3 h，得到球磨混合物；

（2）将球磨混合物置于乙二醇中，再加入硬脂酸酰胺12份、钛酸四丁酯8份、四甲基乙二胺3份，边搅拌边加热至150℃，保持30 min，得热反应混合液；